临近文物建筑深基坑工程设计及保护方案

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300000）

1 工程概况

本工程位于老旧城区，道路及管线需随城市拆迁进行整体提升。根据本工程管线综合规划，道路下方规划有综合管廊，入廊管线有给水、电力、通讯、热力、直饮水六种，两舱布置，管廊结构外轮廓尺寸6.4×4.1m。

本工程在一处过路节点处，临近一文物建筑，文物级别为区级文物，房屋为传统的抬梁式屋顶硬山建筑，有上房、临街房、东西厢房、西院临街房，正门设在北侧临街房。该邻街房屋侵入道路红线，与道路侧石线最近距离为5m，转弯处仅为3.5m，交叉口处视距不良。文物建筑北侧临街房屋与综合管廊结构外轮廓最近距离约4.2m。文物建筑平面位置及与基坑相对位置关系如下图所示。

图1 本工程与文物建筑的平面位置关系

本工程范围地貌单元为黄河冲积平原，拟建工程场地位于郑州市市区中南部，环境条件较简单。地形起伏较小，地势平坦。

根据与文物产权单位的沟通，该文物建筑不具备迁建条件，工程设计中需考虑避让，施工过程中需控制建筑物变形值，保证该建筑物安全。

2 文物保护依据

该建筑物为古建筑类文物，其保护标准可依据《中华人民共和国文物保护法》、《中华人民共和国文物保护法实施条例》等有关法律法规，应遵循既有利于城市发展，又有利于文物保护的原则。

2.1 管廊总体方案设计

本节点位于一城市主干路，与现状轨道交通交叉，平面布置综合考虑避让地铁车站附属结构及文物建筑，管廊中线基本沿路中布置。纵断面设计考虑避让南北向现状及规划过路管线，管廊顶部埋深按3m 考虑。

2.2 管廊基坑围护结构设计

本节点基坑深度约8.6m，地下水位埋深约14m，不需降水。为减小明挖施工对文物建筑的影响，围护结构形式采用结构刚度大、变形控制好的钻孔灌注桩加内支撑支护。钻孔灌注桩规格为□600@1000，竖向设一道□609，t=16 钢支撑。

围护结构计算采用理正7.0PB1 基坑计算软件，基坑安全等级为一级，计算得各安全系数如下：

整体稳定安全系数 Ks = 2.163 > 1.35；

抗倾覆稳定性验算最小安全Kt = 2.062 >= 1.250；

抗隆起验算最小安全系数Ks = 2.964 ≥ 1.800；

各安全系数均满足规范要求。

3 风险分析

3.1 施工风险分析

本节点位于一城市主干路交叉口，南北向现状交通为双向6 车道，道路下方为已运营地铁线路。路口以东两侧建构筑物已基本拆除，无现状交通需求。综合考虑施工场地、交通疏解要求及轨道公司安全评估成果，本节点管廊基坑采用明挖法施工。采用分期实施的方式保证交通疏解要求，并减小对轨道交通运营的影响。

临近该文物建筑管廊基坑深度约8.6m，对其影响主要体现在以下方面：

1）明挖法施工需施工围挡，遮挡该建筑物北侧大门，占道时间长，影响人员出入；

2）该建筑与基坑最近距离约为4.2m，约位于基坑0.5 倍深度处，管廊基坑开挖时，土体开挖卸载及围护桩水平位移造成土体应力松弛[2]，可能引起房屋地基的不均匀沉降，造成房屋变形、开裂等损伤。

3）道路路基填筑压实及路面铺筑过程中的施工震动引起临近房屋变形、开裂等损伤。

3.2 运营风险分析

该文物建筑正门前道路等级定位为城市次干路，双向两车道，红线宽25m。此路段采用交通标线形式分离机非车辆，保障独立的人行系统，与区域内步行系统有序联通。由于该建筑局部侵入道路红线范围内，对道路运营的影响主要体现在以下方面

1）建筑物影响道路交叉口视距影响，导致驾驶员没有足够的时间判断和采取避险措施，易发生交通事故。

2）占用人行道空间造成人行通行效果变差，人行拥堵时，行人占用非机动车道，造成交通紊乱。

3.3 管廊施工对文物建筑影响分析

为分析管廊基坑开挖回填施工过程中对文物建筑的影响，采用岩土有限元软件MIDAS GTS 对本项目进行岩土数值分析。

计算模型

根据本工程特点，模型边界取为基坑外约3 倍基坑深度处，整个模型尺寸为60×25m，建模过程中根据分步开挖设计对基坑内土体进行分块并对文物建筑房屋结构进行适当的简化处理，网格整体划分后的计算模型如下：

图2 计算模型

图3 管廊结构及文物建筑

根据工程的施工顺序，计算时的模拟工况如下：

1)初始地应力生成，位移清零；2)施做围护桩结构；3)开挖至支撑下0.5m；4)架设钢支撑；5)开挖至基坑底；6)施做管廊结构；7)拆除钢支撑；8)覆土回填至设计地面。

参数设计及边界条件

土层本构采用修正摩尔库伦模型，该本构模型能有效地模拟土层开挖卸载过程中的应力应变关系[3]。土层密度、粘聚力、摩擦角、弹性模量等根据地勘取值，卸载模量取弹性模量的3 倍。

结构构件采用弹性本构，具体的参数设置如下表所示：

表1 结构构件参数

边界条件选择地面支承，水平边界限值水平位移，底边界限值竖向位移。

3.4 计算结果及分析

为分析基坑开挖回填对文物建筑的影响，提取文物建筑典型位置处（图3）的位移计算结果：

施工过程中各特征点各工况的变形值曲线如下：

图4 特征点竖向位移

图5 特征点水平向位移

计算结果显示：

1）由于土体卸载回弹变形与围护结构变形产生的地层变形叠加，基坑开挖阶段对文物建筑的影响较覆土回填阶段小。

2）施工阶段文物建筑最大竖向变形值为2.0mm（沉降），最大水平变形值为4.5mm；基础局部倾斜值为：，满足规范[4]规定的建筑物的地基变形允许值。

可见，管廊基坑围护结构设计可满足施工过程中对文物建筑的保护要求。

4 保护措施

4.1 施工保护措施

针对管廊及道路施工期间对文物建筑的影响，拟采取以下保护措施：

1)施工前对现状建构筑物调查及检测。

2)施工围挡应预留文物建筑内人员出行通道。

3)钻孔灌注桩施工采取旋挖钻机施工，隔三挖一，并做好泥浆护壁，防止局部塌孔。

4)做好钢支撑防脱落措施，及时施加支撑预加力，控制基坑变形。

5)施工过程中应注意，控制基坑两侧地面超载不应大于20kPa。

6)附近管线迁改过程中应采用人工挖掘，严格控制挖深，减少土体扰动。

7)合理进行施工组织，做好底板钢筋加工工作，缩短底板施工时间，以减少基坑暴露时间。

8)回填土的压实应采用机械碾压，且必须采用平碾，临近文物建筑处可采用人工夯实，严禁采用振动碾压、重型打夯机；路面铺筑应采用静压施工，避免震动。

9)施工过程中加强对建构筑物监测，制定基坑施工及建筑物变形过大的应急预案。

10)施工期间做好扬尘治理、废水处理、噪声控制等环境保护工作，将施工对环境的影响降到最低。

4.2 运营保护措施

针对本工程运营期间对文物建筑的影响，拟采取以下保护措施：

1)道路提升后采取右进右出的交通组织方式，将交通冲突点降到最低。

2)设置减速让行标线和标志牌相配合，提高驾驶员对道路状况的识别程度。

3)交叉口转弯处设置凸面镜，以扩大司机视野，及早发现弯道对面车辆，以避免交通事故的发生。

5 结论

1）城市规划应结合文物建筑的分布及特点综合考虑，做到城市建设与历史文化的协调。

2）管廊基坑覆土回填阶段较基坑开挖阶段对临近建筑的产生的影响较大，最终的变形表现为沉降及向坑内的水平变形。

3）由于我国暂无文物建筑保护变形控制的具体规定，可结合工程特点及文物建筑的现状参照现行民用建筑的相关规范制定变形控制标准值。